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易切削钢(free cutting steel)

易切削钢

    在钢中加入一定数量的一种或一种以上的硫、磷、铅、钙、硒、碲等易切削元素，以改善其切削性的合金钢。又称自动机床加工用钢，简称自动钢。这类钢可以用较高的切削速度和较大的切削深度进行切削加工。由于钢中加入的易切削元素，使钢的切削抗力减小，同时易切削元素本身的特性和所形成的化合物起润滑切削刀具的作用，易断屑，减轻了磨损，从而降低了工件的表面粗糙度，提高了刀具寿命和生产效率。
　　筒吏第一次世界大战期间(1914～1918年)，美国人首先发现硫在钢中对改善切削性的作用，生产出自动机床用硫系低碳易切削钢，后来英、苏、德、日、法等国也相继生产自动机床用硫系易切削钢并逐步使之系列化。硫系易切削钢的产量大，用途广，许多新型易切削钢也是以硫系为基础发展起来的。
　　约在1932年后，人们受到切削性异常优越的铅黄铜的启发，开始研制含铅的易切削钢。因铅有剧毒，当时在冶炼和安全防护等方面的技术问题还没有解决，直到1937年美国研制出含铅易切削钢。1958年，日本引进此种技术并开始研制新的铅易切削钢，到1975年日本公布的含铅易切削钢专利就有25项之多。前苏联是在70年代初才开始生产铅易切削钢。
　　随着机械切削加工不断向自动化、高速化和精密化方向发展，对材料的切削性提出更高的要求，于是出现了切削性更佳的铅一硫复合易切削钢，又称为超易切削钢。此后各种铅一硫二元和多元复合易切削钢陆续问世。
　　碲作为易切削元素用于易切削钢，首先出现在1932年的专利中。1961年美国研制成功一种含碲易切削钢，它是硫一铅一碲多元复合易切削钢，其切削性非常优异，可与易切削黄铜比美。由于硒与碲的性能和作用相近，故经常被交替使用或同时加入钢中。
　　自60年代起，人们又从另一途径来研究改善钢的切削性，即加入某种脱氧元素，以生成所需要的脱氧产物——有利夹杂，在日本将此称为脱氧调整型易切削钢。前联邦德国于1964年首先提出用钙脱氧的钙易切削钢专利，3年后被日本引入并正式生产，它最适于用TiC的硬质合金刀具，进行高速切削，可显著提高生产率，降低工具消耗。在日本已成为汽车、拖拉机制造业中用量相当大的一种易切削钢。
　　从60年代后期开始，又研究了加钛脱氧的易切削钢。1973年日本首先发表了以钛脱氧的钛一硫复合易切削钢专利，近几年，在日本等少数国家已开始试用。
　　易切削钢生产发展很快，品种和牌号数量不断增加，产量逐渐上升。在美国、日本、英国、前联邦德国、前苏联五国易切削钢标准中，多者有31个钢号(AISI)，少者有7个钢号(FOCT)。品种已经扩大到扁钢和管易。易切削钢产量以日本最多，增加速度也最快。1965年接近10万t，到了1985年达到了1OO万t左右，其中硫系占64．4％。日本生产的易切削钢约有40％～46％消耗在汽车制造业，产业机械消耗约10％，家庭用品和其他消耗约6％。
　　中国从20世纪50年代开始生产硫系易切削钢(主要是低碳自动机床加工用钢)，1975年又审订了易切削钢的新标准GBl91-75。从70年代起，开始试生产钙系和钛系易切削钢。但是对生产中需要特殊防护，以消除公害的含铅、硒或碲的易切削钢，却一直未正式生产。从1977年开始，中国又研究了含稀土易切削钢。
　　分类 按所含易切削元素可分为：(1)硫易切削钢。硫在钢中与锰和铁形成硫化锰夹杂，这类夹杂物能中断基体金属的连续性，在切削时促使断屑形成小而短的卷曲半径，而易于排除，减少刀具磨损，降低加工表面粗糙度，提高刀具寿命。通常钢的被切削性随钢中硫含量的增多而增高。但钢的纵向和横向的力学性能差别大，横向塑、韧性差，疲劳及耐蚀性能也有所降低。钢中硫含量过高时，会导致热脆性，对钢的热加工造成困难，恶化钢的力学性能。通常硫含量为0．08％～0．30％，有的可提高到0．4％，易切削工具钢和不锈钢中的硫含量均应在0．06％～0．10％之间。
　　磷多与硫复合加入钢中，通常磷含量在0．04％～o．12％，磷固溶于铁素体中会提高硬度和强度，降低韧性，使切屑易于折断和排除，从而获得良好的加工表面粗糙度，但磷含量过高会显著降低塑性，提高硬度，反而对钢的切削性起有害作用。
　　(2)铅易切削钢。铅在钢中呈细小金属颗粒形态，均匀分布或附着于硫化物的周围。由于铅的熔点较低，切削时融熔渗出起润滑作用，降低摩擦，提高切削性，但并不影响常温力学性能。钢中铅含量一般在0．10％～0．35％。因为铅的比重大，如含量过高，容易引起严重的偏析并形成大颗粒夹杂物，反而降低铅对切削加工的有利作用。铅和硫复合加入低碳结构钢中，改善钢材被切削的效果更为显著。
　　(3)钙易切削钢。钢中钙与铝、硅结合形成低熔点的复合氧化物(主要是CaO•Al2O3•SiO2)，高速切削时，钙系氧化物附着于切削工具表面起润滑和减摩作用，从而提高刀具的使用寿命。如果同时含硫、铅等元素，它们的复合作用会使切削效果更好。
　　80年代以来随着切削工具的改进，在钙易切削钢上涂有T|N涂层的工具，对于工具费用高的滚齿刀、插齿刀等齿轮加工工具，有显著效果。
　　(4)硒、碲、铋易切削钢。碲、铋含量约为0．03％～0．10％，硒的含量可达0．15％。硒以硒化物如FeSe、MnSe等形态存在于钢中，其作用与硫相似，对于既要求高的切削性，又要求较好塑性的钢，在钢中加硒要比硫好。碲可单独加入，也可与铅或硫同时加入钢中，形成复合夹杂物，以降低切削抗力和切削热，使切屑容易排除，显著提高钢的切削性，得到良好的加工表面粗糙度，不过加碲后会使钢的塑性、韧性稍有降低。硒和碲一般多用于合金钢。铋在钢中的作用与铅相似，呈细小的金属颗粒夹杂物，均匀分布或附着于硫化物周围。
　　其他元素对钢切削性的影响在易切削钢中除上述易切削元素外，其他元素也对钢的切削性有一定影响：(1)碳。钢中碳含量的高低与钢材的切削性能有关。碳含量过低，组织中会出现大量铁素体，钢的硬度和强度很低，切屑易粘着于刀刃上形成刀瘤，加之切屑是撕裂断落，使切削性下降，加工表面粗糙度很高。碳量过高，组织中珠光体量增多，硬度及强度提高，使切削抗力增大，切削性变坏。易切削结构钢中碳含量以0．15％～0．25％为宜。(2)锰。钢中锰与硫形成硫化锰夹杂，使切屑易于断裂，改善钢的切削性，还能消除或减弱因硫所引起的热脆性。因此，在易切削钢中应保证锰含量在0．60％～1．60％之间，并保持适当的Mn／S的比值。(3)硅和铝。硅和铝都对钢的切削性起有害作用。硅部分固溶于铁素体中，提高钢的硬度，使切削加工困难。而且硅在钢中与氧结合形成硬度较高的氧化硅夹杂物，使刀具的磨损增加，使用寿命降低。故易切削钢中硅含量宜低。铝一般作为脱氧剂加入钢中，大部分与氧结合生成细小脆硬的氧化铝夹杂，增加刀具的磨损。硅和铝加入钢中还会降低钢的氧含量，使硫化物夹杂呈细长条状分布，恶化钢的切削性。(4)氧和氮。氧在钢中一般是有害的，因为它降低钢的力学性能，但易切削钢中氧含量增高，会使硫化物呈纺锤形分布，改善钢的切削性。氮虽能提高钢的强度，但增加脆性，切削加工时会形成短碎的断屑。钢中含微量氮(≤0．002％)时对切削性和工件表面质量起有利作用，但含量过高时，钢的强化作用增大，对刀具寿命不利。
　　化学成分几个主要国家易切削钢的成分(质量分数)见表。

易切削钢

　　生产工艺易切削钢可在各种炼钢炉中冶炼，但低碳的硫易切削钢宜用转炉冶炼，硫的合金化是在盛钢桶或熔池中加入硫或硫化铁进行的，所用锰铁以低硅和低碳者为宜。如无特殊要求，应尽量降低钢中硅含量，以改善钢的切削性，并要进行充分脱氧，防止产生发纹。在冶炼过程中产生的硫、铅等有害气体，必须用强力通风装置排除，并应有防治污染环境等设施处理。易切削钢中含硫较高时，会有热脆倾向，不利热加工，应予注意。冷加工时力求外形尺寸精确，表面质量良好，以改善在自动机床上切削加工性能。